Screening of Bacillus coagulans strains in lignin supplemented minimal medium with high throughput turbidity measurements
基于高通量比浊法筛选木质素添加基本培养基中的凝结芽孢杆菌菌株
来源：Biotechnology Reports, 2014, Volume 4, Pages 60–65
《生物技术报告》，2014年，第4卷，页码60–65
摘要
本研究采用自动化比浊法测定不同浓度木质素对3株凝结芽孢杆菌生长的影响，使用Logistic、Gompertz、Baranyi、Richards、Stannard多种模型拟合生长曲线，获得最大比生长速率、最大菌量、延滞期等参数。结果表明低浓度木质素可促进部分菌株生长，不同菌株耐受木质素的能力存在显著差异，建立的高通量筛选与数学评价方法可高效筛选适用于木质纤维素水解液发酵的优良菌株。
关键词
凝结芽孢杆菌；木质素；比浊法；高通量筛选；生长动力学；数学模型；生物发酵
研究目的
建立基于生长动力学的高通量筛选方法，评价不同凝结芽孢杆菌菌株对木质素的耐受性，为木质纤维素生物炼制筛选高效菌株。
研究思路
1. 选取3株不同来源的凝结芽孢杆菌，在含0–0.8 g/L木质素的基本培养基中培养。
2. 使用Bioscreen C全自动比浊测量系统连续检测OD值，获取高精度生长曲线。
3. 采用5种数学模型拟合生长数据，计算最大比生长速率、延滞期、最大生物量等参数。
4. 构建新评价参数β与γ，综合评估菌株的木质素耐受能力与生长效率。
5. 比较菌株差异，确定适合不同木质素浓度的工业应用菌株。
研究亮点
1. 首次将多模型拟合与高通量比浊法结合，用于木质素耐受性菌株的快速筛选。
2. 发现低浓度木质素对凝结芽孢杆菌具有生长促进作用，颠覆传统抑制认知。
3. 构建β和γ两个新参数，实现菌株耐受性的定量化精准评价。
4. 建立可直接用于木质纤维素生物炼制的菌株筛选体系。
可延伸的方向
1. 探究木质素促进细菌生长的分子机制。
2. 将该筛选方法拓展至纤维素、半纤维素水解液抑制物的耐受性评价。
3. 结合基因组学挖掘木质素耐受性关键基因。
4. 优化发酵工艺，利用低浓度木质素提升乳酸产量。
5. 应用于其他工业微生物的抑制物耐受性筛选。
测量的数据及研究意义
1. 菌体浓度与OD校准曲线数据：三阶多项式拟合，CFU与OD值定量对应，来自图1，意义是实现光密度与活菌量的精准换算，保证生长数据可靠性。
2. 不同稀释度接种生长曲线数据：接种量影响延滞期与生长速率，来自图2，意义是揭示初始菌量对木质素胁迫下生长的影响规律。
3. 生长动力学参数数据：μmax、λ、Δy随木质素浓度变化，来自图3，意义是量化不同菌株对木质素的响应差异，用于菌株分型。
4. 耐受性评价参数数据：β、γ随木质素浓度变化，拟合获得耐受阈值，来自图4，意义是定量化比较菌株优劣，预测最大耐受木质素浓度。
结论
1. 建立了基于Bioscreen高通量比浊法与多模型拟合的微生物耐受性筛选方法。
2. 低浓度木质素（0.2 g/L）可显著促进部分凝结芽孢杆菌的生长。
3. 3株菌株的木质素耐受性存在显著差异，菌株3耐受能力最强，可耐受最高1.84 g/L木质素。
4. 新参数γ比β更稳定，不受接种量影响，更适合工业菌株评价。
5. 该方法可高效筛选适用于木质纤维素生物炼制的耐抑制物菌株。
使用芬兰Bioscreen仪器测量数据的研究意义
使用Bioscreen C全自动生长分析仪在100孔蜂窝板中，52℃恒温、间歇振荡条件下，每5分钟自动记录420–580 nm宽波段OD值，连续监测32小时，实现高通量、平行化、高时间分辨率的生长曲线采集。该数据可消除人工测量误差，精准区分延滞期、指数期与稳定期；为5种生长模型提供高质量输入数据，保证动力学参数计算准确；客观反映不同木质素浓度与接种量对菌株生长的影响，是实现菌株快速筛选与耐受性定量评价的核心技术支撑，大幅提升工业微生物筛选效率与可靠性。